Enhanced osseointegration of porous titanium scaffold implanted with preload: an experiment study in rabbits / Osteointegración mejorada de malla de titanio poroso implantada con precarga: un estudio experimental en conejos

ABSTRACT

Porous titanium alloy scaffold was widely used in treating bone defect caused by traumatic injury and osteomyelitis, which was incapable of self-healing. The implantation of scaffold produced stress shielding thereby forming osteolysis. The objective of this study was to analysis trabecular morphological features of osseointegrated bone. 14 New Zealand rabbits were divided into two groups, surgery group and healthy control group. 7 rabbits in surgery group were selected to perform 3D printed porous titanium alloy scaffold implantation surgery with preload at the defect of femoral condyle for osseointegration. The other 7 rabbits in control group were feed free. After 90 days healing, femoral condyles were extracted to perform micro-CT scanning with hydroxyapatite calibration phantom. Mean bone mineral density (BMD), bone volume fraction (BV/TV), BS/TV (bone surface area ratio), Tb.Th (thickness of trabeculae), Tb.N (number of trabeculae), Tb.Sp (trabecular separation) and DA (degree of anisotropy) were calculated from micro-CT images. The results revealed that osseointegration inside and at the surface of scaffolds worked well from grey values of micro-CT images. After 12 weeks healing, mean bone mineral densities (BMD) in surgery group and healthy control group were calculated as 800±20mg/cm3 and 980±90mg/cm3, respectively. This revealed that the strength of trabeculae in surgery group might lower than that in the healthy group. Trabecular morphological parameters test showed that trabecular morphological parameters at the surface of scaffolds in the surgery group deteriorated significantly. It was found from micro-CT images that ingrowth bone was filled with pores of scaffold. Overall, the effect of osseointegration was promoted through the change of mechanical micro-environment in the scaffold region. Overall, preload could improve osseointegration effect in the long-term after surgery. However, the trabecular morphology in the surgery group was deteriorated, which might bring secondary fracture risk again.

RESUMEN

La malla de aleación de titanio poroso se usó ampliamente en el tratamiento de defectos óseos causados por lesiones traumáticas y osteomielitis. El implante de la malla generó una protección contra el estrés, formando así osteolisis. El objetivo de este estudio fue analizar las características morfológicas trabeculares del hueso osteointegrado. Se dividieron 14 conejos (Neozelandeses) en dos grupos, grupo cirugía y grupo control saludable. Se seleccionaron 7 conejos en el grupo de cirugía para realizar una implantación de mallas de aleación de titanio poroso, impresas en 3D con precarga en el defecto del cóndilo femoral para la osteointegración. Los 7 conejos restantes del grupo control se mantuvieron sin alimentación. Después de 90 días de curación, se extrajeron los cóndilos femorales para realizar una exploración por micro-CT con un espectro de calibración de hidroxiapatita. Se calcularon a partir de imágenes de micro-CTDensidad mineral ósea media (DMO), fracción de volumen óseo (BV / TV), BS / TV (relación de área de superficie ósea), Tb.Th (espesor de trabéculas), Tb.N (número de trabéculas), Tb.Sp (trabecular separación) y DA (grado de anisotropía). Los resultados revelaron que la osteointegración dentro y en la superficie de los andamios funcionó bien a partir de los valores grises de las imágenes de micro-CT. Después de 12 semanas de curación, las densidades medias de minerales óseos (DMO) en el grupo cirugía y en el grupo control sano se calcularon como 800 ± 20 mg/cm3 y 980 ± 90 mg/cm3, respectivamente. Esto reveló que la fuerza de las trabéculas en el grupo de cirugía podría ser menor que la del grupo sano. La prueba de parámetros morfológicos trabeculares mostró que en el grupo de cirugía, la superficie de las mallas, se deterioraron significativamente. Se descubrió a partir de imágenes de microCT que el hueso en crecimiento estaba lleno de poros de andamio. En general, el efecto de la osteointegración se promovió mediante el cambio del microambiente mecánico en la región de la malla. En general, la precarga podría mejorar el efecto de osteointegración a largo plazo después de la cirugía. Sin embargo, la morfología trabecular en el grupo de cirugía se deterioró, lo que podría traer un nuevo riesgo de fractura secundaria.